은하 중심의 블랙홀

우리은하 중심의 궁수자리 A*는 질량이 태양의 약 400만 배입니다.

중심의 어두운 질량

NASA에 따르면 큰 은하는 대부분 그 중심에 초대질량 블랙홀을 품고 있고, 그 가운데 어떤 것은 질량이 태양의 수십억 배나 됩니다. 블랙홀은 물질이 너무나 빽빽하게 뭉쳐 있는 곳입니다. 그래서 사건의 지평선이라는 경계 안쪽에서는 어떤 것도, 심지어 빛조차도 빠져나오지 못합니다. 이 경계의 반지름은 질량에 비례해서 커집니다. 질량이 태양 하나만 하다면 그 반지름은 약 3 km입니다. 우리은하 중심에 있는 블랙홀은 궁수자리 A*라고 부르며, 「궁수자리 에이 스타」라고 읽습니다. 이 블랙홀의 질량은 태양의 약 400만 배입니다. 그래서 계산해 보면 지평선의 반지름은 약 1,200만 km가 나옵니다. 이것은 태양 반지름의 약 17배이고, 수성의 궤도보다 훨씬 안쪽에 들어가는 크기입니다.

빛을 전혀 내지 않는 것의 무게를 어떻게 잴 수 있을까요? 그 둘레에서 움직이는 것들을 지켜보면 됩니다. 수십 년 동안 두 연구진이 이 일을 해 왔습니다. 한 연구진은 독일에, 다른 한 연구진은 미국에 있었습니다. 두 연구진은 먼지를 통과하는 적외선으로 은하 중심 아주 가까이를 도는 별들을 하나하나 따라가며 관측했습니다. 그 가운데 S2라는 별은 약 16년에 한 번씩 중심 둘레를 돕니다. 이런 궤도들에 케플러 법칙을 적용하면, 궤도 안쪽에 들어 있는 질량을 구할 수 있습니다. 그 질량은 태양의 약 400만 배였고, 블랙홀 말고는 설명할 수 없을 만큼 작은 곳에 들어 있었습니다. 이 연구는 2020년 노벨 물리학상을 받았습니다.

그림자를 찍은 사진

블랙홀 자체는 어둡지만, 그 둘레를 소용돌이치며 도는 뜨거운 가스는 빛을 냅니다. 사건의 지평선 망원경은 세계 곳곳에 있는 전파 망원경들을 하나로 이어서, 지구만 한 크기의 가상 망원경을 만듭니다. 이 망원경은 2019년에 처음으로 블랙홀의 그림자 사진을 공개했습니다. 그 블랙홀은 거대 타원 은하 M87의 중심에 있는 것으로, JPL에 따르면 약 5,300만 광년 떨어져 있습니다. 2022년에는 궁수자리 A*의 사진을 공개했습니다. JPL은 이 블랙홀이 2만 6천 광년 넘게 떨어져 있고, 태양 400만 개만큼의 질량을 가지고 있다고 설명합니다. 두 사진은 모두 밝은 고리 안에 어두운 중심이 있는 모습입니다. 궁수자리 A* 사진은 너비가 약 50마이크로초각에 불과합니다. JPL은 이 크기를 하늘 전체의 약 130억분의 1에 비유합니다.

조용한 블랙홀과 활동하는 블랙홀

궁수자리 A*는 지금 조용한 상태입니다. 안으로 떨어지는 가스가 적기 때문에 어둡습니다. NASA는 우리은하가 지금은 활동 은하가 아니라고 설명합니다. 다만 지난 수백만 년 사이에 한바탕 활발하게 활동했을 가능성은 크다고 합니다. 활동 은하에서는 중심의 블랙홀이 가스를 많이 삼키고 있습니다. 이 가스는 원반 속에서 뜨겁게 달아오르고, 은하의 모든 별을 합친 것보다 더 밝게 빛날 수 있습니다. 그 가운데 가장 밝은 것이 퀘이사입니다. NASA에 따르면 지금까지 확인된 퀘이사는 100만 개가 넘습니다. 가장 가까운 퀘이사인 마카리안 231은 약 6억 광년 떨어져 있고, 알려진 것 가운데 가장 먼 퀘이사는 약 130억 광년 떨어져 있습니다. 빛이 우리에게 오는 데에는 시간이 걸립니다. 그래서 먼 퀘이사는 수십억 년 전 블랙홀의 모습을 보여 줍니다.